FILTROS ANAERÓBIOS DE FLUXO DESCENDENTE AFOGADOS,
COM DIFERENTES ENCHIMENTOS
Cícero Onofre de Andrade Neto(1)
Engo Civil, Mestre em Engenharia Civil com concentração em Saneamento. Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Membro do Grupo Coordenador do PROSAB – Programa de Pesquisa em Saneamento Básico (FINEP/CNPq/CEF).
Maria Gorete Pereira
Enga Civil. Mestre em Engenharia Química com concentração em Meio Ambiente. Bolsista do PROSAB/RN.
Hélio Rodrigues dos Santos
Engo Civil. Mestrando em Hidráulica e Saneamento da EESC-USP.
Henio Normando de Souza Melo
Engo Químico. Doutor em Engenharia Ambiental, Professor da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Coordenador do PROSAB-RN.
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RESUMO
Este trabalho apresenta uma análise comparativa do desempenho de três filtros anaeróbios afogados de fluxo descendente, preenchidos com materiais suporte distintos (brita comercial, brita no 4 e seixo rolado), e de um quarto tanque, com o mesmo volume de cada filtro mas sem enchimento, sob as mesmas condições de operação, em escala piloto. Todos foram alimentados com vazões iguais do mesmo afluente esgoto real pré-tratado em um tanque séptico que contém um pequeno filtro de fluxo ascendente na saída. Os filtros têm volume de 3,36 m3 cada e o tanque séptico que os precede tem volume de 8,82 m3. O sistema está em operação desde 1o de agosto de 1997, mas, neste trabalho, são apresentados e discutidos os resultados obtidos até dezembro de 97. Neste período, o sistema recebeu vazão constante de 10 m3/dia. As principais conclusões apontam que: nessas condições operacionais, os filtros apresentaram eficiência muito boa na remoção da DQO total e também na remoção da parcela solúvel; tiveram performance comparável entre si, mas a brita comercial mostrou-se mais eficiente do que a brita no 4 e esta mais que o seixo rolado; a ação do biofilme sobre o substrato, removendo DQO solúvel e COT, se fez notar com um mês e meio de funcionamento dos filtros; o tanque sem enchimento apresentou baixa eficiência, confirmando, em escala piloto, que a decantação tem um limite e que o enchimento dos filtros é realmente vantajoso; os filtros conferem alta estabilidade ao sistema.
INTRODUÇÃO
O filtro anaeróbio é uma tecnologia muito simples em termos construtivos e operacionais. O processo baseia-se essencialmente em fazer os esgotos fluírem através de um meio percolador constituído de material suporte sobre o qual desenvolve-se o biofilme, em fluxo ascendente ou descendente. O contato do esgoto com a biomassa é o principal fenômeno ativo na depuração dos esgotos.
Contudo é uma tecnologia ainda em franco desenvolvimento. Seus vários modelos e configurações (existentes e a serem criados) permitem grande liberdade de projeto e flexibilidade construtiva, em muitas opções de forma, sentido de fluxo, detalhes construtivos, materiais suporte, etc.
Apenas os filtros anaeróbios de fluxo ascendente têm sido significativamente aplicados e pesquisados, para tratamento de esgotos sanitários. Sobre os filtros de fluxo descendente, praticamente não se tem realizado estudos e pesquisas. Sobretudo, pouco se conhece sobre filtros descendentes afogados (submersos).
Os filtros afogados e não afogados apresentam diferenças funcionais marcantes. Nos de fluxo ascendente ou descendente afogado, o lodo retido nos interstícios, como em diminutos decantadores, flocula e até granula, e têm papel muito importante na remoção da parcela dissolvida da matéria orgânica dos esgotos. Em consequência, nestes modelos o biofilme não desempenha papel tão preponderante e a superfície específica do meio suporte não é tão importante. A remoção de matéria orgânica é praticamente constante ao longo de sua altura e a perda de sólidos biológicos por arraste é menor. Nos filtros de fluxo descendente não afogados, os microrganismos ativos na biodegradação são principalmente os do biofilme aderido ao material suporte e a eficiência é menor.
No Brasil, o filtro anaeróbio tornou-se mais popular a partir de 1982, quando a NBR-7229 “Construção e Instalação de Fossas Sépticas e Disposição dos Efluentes Finais”, da ABNT-Associação Brasileira de Normas Técnicas, incorporou diretrizes básicas para o projeto e construção dos filtros anaeróbios, incentivando o seu uso associado aos tanques sépticos, como unidade de pós-tratamento dos efluentes. Esta norma recomendou um único modelo de filtro biológico, de fluxo ascendente, com fundo falso perfurado, altura do leito filtrante igual a 1,20 m e profundidade do filtro igual a 1,80 m, para qualquer volume. Este filtro causou vários problemas operacionais, principalmente quando o projeto não previa a remoção do lodo acumulado na pequena câmara inferior de entrada. Contudo, teve o mérito de difundir a alternativa e provocar sua evolução tecnológica. A nova norma da ABNT, sobre pós-tratamento de efluentes dos tanques sépticos (NBR-13969), também trata apenas de filtros ascendentes, mas os quatro modelos apresentados estão mais bem detalhados e especificados e percebe-se uma maior preocupação com aspectos operacionais.
Sistemas que associam tanque séptico e filtros anaeróbios, embora tenham sido mais aplicados para pequenas vazões, prestam-se, também, para tratar vazões médias e grandes, principalmente quando construídos em módulos.
Para enchimento dos filtros anaeróbios, tem-se utilizado, em escala real, no Brasil, somente pedras (geralmente nº 4 ou nº 5, ou algo semelhante), mas podem ser utilizados outros materiais. Evidentemente, deve-se procurar materiais convenientes quanto à eficiência, disponibilidade e custo.
Campos (1994) afirma que com relação ao uso de material suporte há uma enorme possibilidade e, citando Hamilton - 1987, explica: “Diversos fatores predominam no início da formação do biofilme, tais como: natureza da superfície, concentração de nutrientes, atividade metabólica dos anismos fixos (sésseis) e livres (planctônicos), etc. Contudo, após a evolução inicial a importância da natureza da superfície diminui consideravelmente”.
Um dos fatores mais importantes para o desempenho de filtros biológicos é o volume (dimensões) dos interstícios do meio suporte, que não deve ser muito grande nem muito pequeno. Atente que o diâmetro dos interstícios do leito filtrante depende da forma e da granulometria do meio suporte. Portanto, o mais importante, e fundamental, é que o material suporte tenha dimensões uniformes (pequena variação na granulometria), tamanho adequado e forma não achatada.
O presente trabalho, pretende contribuir com o estudo de filtros anaeróbios afogados de fluxo descendente, aplicados ao tratamento de esgotos sanitários.
METODOLOGIA
Os filtros anaeróbios, objetos deste trabalho, são partes integrantes de um sistema compacto, composto por um tanque séptico prismático retangular de câmaras em série, com volume total de 8,82 m3, que inclui, no último compartimento, acoplado ao
decanto-digestor, um filtro de pedras (brita nº 4) de fluxo ascendente, com 0,60 m de espessura da camada suporte e volume total de 0,84 m3, e, finalmente, quatro filtros anaeróbios de fluxos descendentes (F1, F2, F3 e F4), funcionando em paralelo. A Figura 1 mostra o desenho esquemático do sistema.
Cada filtro descendente tem 4,00 m de comprimento por 0,70 m de largura e profundidade média de 1,20 m, perfazendo um volume de 3,36 m3. A distribuição do esgoto, sobre o leito de pedras, bem como a coleta do efluente, no fundo de cada filtro, são feitas através de tubos perfurados, sendo dois na distribuição e três na coleta. No final de cada filtro descendente, encontra-se um compartimento que permite a drenagem do excesso de lodo, dá acesso aos tubos drenantes, e mantém afogado o filtro descendente.
Figura 1 - Desenho esquemático do Sistema.
Normalmente esse tipo de sistema tem apenas dois filtros descendentes ladeando o tanque séptico. A construção dos quatro filtros descendentes, no sistema experimental, teve por objetivo pesquisar diversos tipos de enchimentos e várias vazões. Nesta primeira etapa, o “filtro” F1 não continha nenhum tipo de suporte, servindo como parâmetro de controle, e os demais (F2, F3 e F4) foram preenchidos, respectivamente, por: brita comercial com diâmetro médio de 38mm; seixo rolado classificado, com diâmetro variando de 40 a 75mm e brita granítica nº 4 (50 a 75mm).
O sistema recebeu uma vazão constante de 10 m3/dia de esgoto doméstico, retirados de uma derivação da rede coletora do Campus Central da UFRN. Este trecho de rede atende às seguintes unidades: Residências Universitárias I e II, Ginásio de Esportes, Restaurante Universitário, Departamento de Educação Física e Pouso Universitário. Depois de passar pelo tanque séptico e pelo filtro ascendente, a vazão era dividida em partes iguais, de sorte que 2,5 m3/dia eram destinados a cada um dos quatro filtros.
Para estimar o tempo de detenção hidráulica real, de cada reator, foi realizado um ensaio
c T anque Séptico - Câmara 1 d T anque Séptico - Câmara 2 e Filtro A na eróbio A scendente
f Filtro A na eróbio D escendente sem enchim ento g Filtro A na eróbio D escendente - Brita C omercial h Filtro A na eróbio D escendente - Seixo R olado nº4 i Filtro A na eróbio descendente - Brita nº 4
F2, F3 e F4 foram de aproximadamente: 32 horas, 15 horas, 14 horas e 16 horas, respectivamente.
Os altos valores do tempo de detenção hidráulica nos filtros descendentes se justificam pela opção de se iniciar as investigações comparando vários tipos de enchimentos com um reator sem enchimento, que necessitava do funcionamento simultâneo dos quatro filtros alimentados com o mesmo afluente, consequentemente com baixa vazão.
O estudo dos filtros baseou-se na análise de Temperatura, pH, Ácidos Graxos Voláteis (AGV), Alcalinidade, DQO Total e Solúvel, Carbono Orgânico Total (COT), Sólidos Totais, Suspensos, Dissolvidos e Sedimentáveis, em amostras coletadas 3 vezes por semana, às 8:30 horas, sempre às segundas, quartas e sextas-feiras. Os métodos de análises utilizados estão descritos no Standard Methods for Examination of Water and Wastewater - 19ª edição (1995), com exceção das determinações de ácidos graxos voláteis que seguiram o método de Di Llalo (1961).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
São apresentados e comentados os principais resultados obtidos no período de agosto (partida do reator) até dezembro de 1997, em duas fase distintas.
Na primeira fase (43 dias), observaram-se grandes oscilações nos resultados dos diversos parâmetros, inclusive para o ponto de amostragem na entrada do sistema, decorrentes de ajustes nos procedimentos de coleta de amostras e de técnicas de análises laboratoriais e também porque este foi o período de “adaptação” dos reatores. A segunda fase (101 dias), a mais longa, é a mais representativa para a análise e avaliação do sistema em condições normais de operação.
Pelo exposto, optou-se por enfatizar a segunda fase na discussão dos resultados, mas apresentam-se também, os dados referentes à outra fase e a eficiência do sistema para todo o período (144 dias).
Temperatura
No período da pesquisa a temperatura do ar apresentou o valor médio de 29ºC, variando entre 25,8 e 31,8ºC.
A temperatura do afluente (FA) e dos efluentes dos filtros descendentes pouco variou ao longo do experimento, mantendo-se sob influência da temperatura ambiente. A média do afluente, na fase 2, ficou na faixa de 29,3ºC, com mínima de 27,5ºC e máxima de 31ºC. Nos filtros descendentes a temperatura média foi da ordem de 28,3º; a mínima observada foi de 26,0ºC em todos os filtros e a máxima de 30ºC nos filtros F1,F3 e F4 e 31ºC em F2.
pH
As bactérias produtoras de metano têm um crescimento ótimo na faixa de pH entre 6,6 e 7,4; muito embora se possa conseguir estabilidade na formação de metano numa faixa mais ampla, entre 6,0 e 8,0. Valores abaixo de 6,0 e acima de 8,3 devem ser evitados, uma vez que estes podem inibir por completo as bactérias metanogênicas. Com relação a esse parâmetro, observou-se, durante todo o período do experimento, que os valores
variaram de 6,68 a 7,39 no esgoto afluente (FA). Os efluentes dos filtros apresentaram-se ligeiramente superiores ao do afluente, variando de 6,89 a 7,7. De um modo geral, o pH do afluente dos filtros esteve próximo ao valor neutro, permitindo ao reator bom tamponamento, confirmado pelos valores do pH efluente, cuja média ficou em torno de 7,3 nos quatro reatores.
Alcalinidade
De acordo com Carvalho (1994), os melhores parâmetros para controle da digestão anaeróbia são as concentrações de alcalinidade a bicarbonato e a ácidos voláteis. Uma vez que a digestão anaeróbia de substratos complexos, como é o caso dos esgotos sanitários, envolve a produção de ácidos voláteis, que são formados na primeira etapa da fermentação, é importante manter uma concentração adequada de alcalinidade para tamponar o sistema, no caso de existir o acúmulo desses ácidos. Quando a concentração da alcalinidade a ácidos voláteis ultrapassa a obtida para a alcalinidade a bicarbonato, o sistema torna-se instável, podendo sofrer sensíveis quedas de pH a qualquer novo aumento na concentração desses ácidos, caso não haja sua transformação adequada em metano. A concentração desses ácidos contida nos sistemas estáveis é razoavelmente baixa, situando-se entre 100 e 300 mg/l de ácido acético, que é o ácido predominante em tais condições.
Em termos de alcalinidade, percebeu-se que os filtros apresentaram-se sem grandes diferenças entre si, com relação aos valores das concentrações. Desse modo, o valor médio de alcalinidade do esgoto afluente foi de 99 mg/l de CaCO3 (89 mg/l global),
enquanto nos efluentes variaram de 113 a 120 mg/l de CaCO3 (104 a 109 mg/l global),
representando acréscimos com relação ao afluente, da ordem de 14 a 21%. A relação de alcalinidade (alcalinidade total/alcalinidade de bicarbonato) manteve valor médio acima de 0,70 carga orgânica.
Ácidos Graxos Voláteis
Ao se analisar o desempenho dos filtros quanto aos ácidos voláteis, percebeu-se que os efluentes de F1, F2 e F4 apresentaram concentrações médias iguais (31 mg/l) e ligeiramente menor que a do afluente; enquanto F3 apresentou no seu efluente a mesma concentração do afluente, ou seja 32 mg/l; valores esses muito inferiores aos obtidos na alcalinidade a bicarbonato. Isto nos permite afirmar que o sistema permaneceu estável durante todo o experimento.
Demanda Química de Oxigênio
Observa-se na Tabela 1, que o afluente apresentou baixa concentração orgânica, o que era esperado, uma vez que se trata do efluente proveniente de um sistema que apresentou uma eficiência da ordem de 71%, correspondendo a uma concentração média de DQO total de aproximadamente 107 mg/l. As remoções médias de DQO, nos filtros com
ENT. FA F1 F2 F3 F4 FASES T S T S T S T S T S T S Fase 1 312 121 117 65 96 65 90 67 95 67 103 64 Fase 2 363 135 107 65 87 61 59 43 65 46 68 44 Global 349 131 110 65 90 62 68 50 73 52 78 50
Tabela 2 - Remoção média de DQO total e solúvel (%).
E - FA FA - F1 FA - F2 FA - F3 FA - F4 FASES T S T S T S T S T S Fase 1 63 46 18 23 19 12 2 Fase 2 71 52 19 6 45 34 39 29 36 32 Global 68 50 18 5 38 23 34 20 29 23
Mesmo com baixa carga orgânica afluente, e com o biofilme ainda em formação, os filtros apresentaram resultados muito bons na remoção complementar da DQO total e também na da parcela solúvel. Os efluentes finais apresentam concentrações de DQO total de até 59 mg/l e DQO solúvel de 43 mg/l.
Os filtros de pedras apresentaram eficiências comparáveis entre si, na remoção da DQO, mas a brita comercial mostrou-se mais eficiente que a brita nº 4 e esta, por sua vez, mais eficiente que o seixo rolado. O fato da brita comercial (F2) ter, nessas condições, apresentado a mais alta remoção da DQO, indica um resultado importante em face de que o custo deste material é bem menor que o das outras pedras. Na continuidade da pesquisa, será observado o risco de colmatação do leito; mas como nesse tipo de sistema o afluente dos filtros descendentes é bastante clarificado, espera-se que a brita comercial se confirme como o melhor material para enchimento, dentre os experimentados, e não a usual brita nº 4, muito mais cara. O seixo rolado, de custo elevado pela necessidade de classificação, não se mostrou vantajoso.
O uso de brita comercial (38mm) implica em maior risco de colmatação do leito filtrante (preenchimento dos interstícios por lodo) e provavelmente deve requerer esgotamento do filtro mais freqüente, mas o custo da brita pode justificar esta inconveniência. Também sabe-se que a remoção de lodo em excesso é mais fácil no seixo rolado. A continuidade das pesquisas deve esclarecer estes aspectos. Ainda é cedo para conclusões definitivas. Antes de ser possível observar visualmente a formação do biofilme sobre as pedras, pode-se constatar a ação biológica dos filtros sobre o substrato, analisando os valores da DQO. Os valores médios da fase 1 (primeiros 40 dias) não mostram diferenças significativas nos efluentes dos filtros e do tanque sem enchimento, mas, no final da fase 1, e seguramente no início da fase 2, percebe-se que a remoção da DQO nos filtros de pedras é maior que no “filtro” sem enchimento. Na fase 2, a remoção da DQO total, e sobretudo a remoção da DQO solúvel, é bem maior nos filtros que no tanque de igual volume mas sem enchimento. Isto mostra que a ação do biofilme sobre o substrato fez-se já nos primeiros 30 dias de funcionamento dos filtros, período mais curto do que encontra-se na literatura, certamente devido à elevada temperatura local.
Apesar do longo tempo de detenção hidráulica, o tanque sem enchimento (F1) não apresentou eficiência na remoção de DQO total comparável à dos filtros e praticamente não removeu a parcela solúvel. Isto confirma, em escala piloto, que a remoção de matéria
orgânica por decantação tem um limite, mesmo para DQO total, e que o enchimento dos filtros é realmente vantajoso, devido a ação do biofilme sobre a parcela solúvel.
A figura 2 ilustra a evolução com relação às concentrações médias de DQO solúvel no afluente e efluentes dos filtros, em todas as fases do experimento.
Figura 2 - Concentrações de DQO solúvel (mg/l) no afluente e no efluente dos
filtros
Carbono Orgânico Total
A atividade dos microrganismos nos filtros de pedras se confirma com os resultados de Carbono Orgânico Total (COT), cuja eficiência média de remoção ficou na faixa de 47%, enquanto o tanque sem enchimento removeu apenas 12%.
Como já fora observado em relação à DQO, os valores de COT confirmam que os filtros conferem estabilidade ao sistema. As concentrações de COT nos efluentes dos filtros sofrem menores variações do que no afluente. Os efluentes dos filtros de pedras são mais estáveis que o do tanque sem enchimento. A Figura 3 mostra os valores de COT no afluente e nos efluentes.
Figura 3 – Concentrações de COT (mg/l) no afluente e no efluente dos filtros. 0 20 40 60 80 100 120 140 06/ A g o 13/ A g o 18/ A g o 25/ A g o 05/ S e t 10/ S e t 15/ S e t 29/ S e t 03/ O u t 10/ O u t 15/ O u t 20/ O u t 24/ O u t 29/ O u t 03/ N o v 07/ N o v 12/ N o v 24/ N o v 28/ N o v 03/ D e z 15/ D e z 22/ D e z F A F 1 F 2 F 3 F 4 10 15 20 25 30 FA F1 F2 F3 F4
Sólidos
Em valores médios, os reatores apresentaram melhor desempenho na remoção de sólidos suspensos (Tabela 3). Note a baixa performance do “filtro” F1 apesar do tempo de detenção hidráulica praticamente o dobro dos demais.
Com relação aos sólidos totais e filtrados, apenas os voláteis sofreram decréscimos significativos Também nesses parâmetros, o filtro com enchimento de brita comercial (F2) obteve os melhores resultados (remoção de 32% em STV e 18% em SFV).
Tabela 3 – Valores médios de concentração e eficiência de sólidos suspensos e sólidos suspensos voláteis nos filtros ascendente e descendentes (Fase 2)
SS SSV
FA F1 F2 F3 F4 FA F1 F2 F3 F4
Conc. (mg/l) 28 14 12 10 13 25 13 11 9 12
Rem. (%) 50 57 64 54 48 56 64 52
CONCLUSÕES
Mesmo com baixa carga orgânica afluente, e com biofilme ainda em formação, os filtros apresentaram resultados muito bons na remoção complementar de DQO e sólidos.
Os filtros conferem boa estabilidade ao sistema. As variações de concentrações no afluente são bem maiores que nos efluentes dos filtros de pedras que também são mais estáveis que o efluente do tanque sem enchimento de igual volume e dimensões.
Os filtros de pedras apresentaram eficiências comparáveis, mas a brita comercial mostrou-se mais eficiente que a brita nº 4 e esta mais eficiente que o seixo rolado. Contudo, deve-se ainda observar, por um maior período de tempo, os efeitos da colmatação do leito filtrante, para obter conclusões definitivas.
Antes de se perceber visualmente a formação do biofilme sobre as pedras dos filtros, pode-se constatar sua ação biológica, comparando-se as remoções de DQO e COT nos filtros com as do tanque sem enchimento. A ação do biofilme fez-se notar já nos primeiros 30 ou 40 dias de funcionamento; período mais curto do que se encontra bibliografia pertinente, certamente devido à elevada temperatura e qualidade do afluente. Apesar do longo tempo de detenção hidráulica, o tanque sem enchimento (F1) não apresentou eficiências comparáveis à dos filtros e praticamente não removeu matéria orgânica solúvel. Isto confirma, em escala piloto, que a remoção de matéria orgânica por decantação tem um limite, e que o enchimento dos filtros é realmente vantajoso, devido a ação do biofilme sobre a parcela solúvel.
Pela análise dos resultados de alcalinidade, AGV e pH, pode-se constatar que apesar da baixa alcalinidade do afluente, o sistema não correu risco de azedamento. Não se verificou choque de pH. Também verifica-se, pela relação de alcalinidade, que os filtros suportariam carga orgânica bem maior.
Professores: Henio Normando de Souza Melo (Coordenador); Cícero Onofre de Andrade
Neto; Manoel Lucas Filho; Dinarte Aeda da Silva; Josette Lourdes de Sousa Melo; Nadja Maria Nobre de Farias.
Bolsistas: (DCR): Maria Gorete Pereira, Patrícia Guimarães; (AT-NM): Ana Cristina da
Costa Januário, Wíldima Ferreira de Mendonça; (AT-NS): Emília Margareth de Melo Silva (Out/96-Dez/97); (AP): Ana Cláudia Gondim Filgueira, Ana Lúcia Silva de Sousa Dantas, Sandra Cristina de Santana; Hélio Rodrigues dos Santos (Out/96- Fev/98); George Guilherme Santiago da Costa (Jan/98); (IC): Diana Sampaio da Costa (Out/96-Dez/97); Kátia Bakker Batista (Out/96-Ago/97); Magna Angélica dos Santos Bezerra (Set/97).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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São Paulo, São Carlos (SP), Brasil, 280p.
8. CHERNICHARO, C.A.L. (1997). Reatores anaeróbios. Belo Horizonte: Departamento de Emgemharia Sanitária e Ambiental – UFMG. 1997. 246p.
